第十二章-萃取

PrinciplesofFoodEngineering华中农业大学食品工程教研室赵思明，刘友明，熊善柏，刘茹SnR’NF,xFE1,y1E’NSE1R1,x1E2,y22R2,x2E3,y3iRn-1,xn-1Ri-1,xi-1Ei,yinRn,xnS,ysEn,yn1.液-液萃取2.浸取3.超临界流体萃取掌握液-液萃取、浸取的基本原理、流程，了解其设备了解超临界萃取原理和应用内容提要基本要求利用溶质在互不相溶的两相之间分配系数的不同而使溶质得到纯化或浓缩的单元操作。(1)液-液萃取：用液体溶剂萃取与之不互溶的液体中的组分。(2)固-液萃取(或浸取，leaching)：用液体溶剂萃取固体物料中的组分。(3)超临界流体萃取(supercriticalfluidextraction)：用超临界流体作萃取剂的萃取，可处理液体或固体。萃取(extraction)萃取是一种初步分离纯化技术，在食品、医药、石油化工等领域应用广泛。萃取的分类萃取的实质：传质过程。天然植物精油提炼萃取水蒸气冷却水植物溶剂罐溶剂回收罐蒸发器溶剂冷凝罐精油蒸发器萃取罐精油从有机溶剂、发酵液中提取：营养素(蛋白质、多糖、……)香精色素(番茄红、枸杞红、……)活性成分(黄酮、皂甙、……)物料灌溶剂灌残液灌轻液灌重液灌萃取灌第一节液-液萃取两个完全或部分不互溶的液相接触后，一个液相中的组分转移到另一液相，或在两液相中重新分配的单元操作。液-液萃取(溶剂萃取，简称萃取)：萃取的基本概念：一般还需用蒸馏、蒸发等操作进行进一步的分离：萃取相中的溶质需要分离；溶剂应回收；萃余相中所含的少量溶剂也需要回收。(1)组分名称萃取剂：溶剂；溶质：欲分离得到的目标组分；原溶剂(或稀释剂)：混合液中的溶剂。(2)对组分的要求萃取剂：应该对溶质具有很大的溶解能力；原溶剂：应不互溶或微溶。(3)萃取产物萃取相：由溶剂和溶质组成的液相；萃余相：被萃取后的原液体混合物。(4)后处理萃取流程单级萃取多级萃取错流逆流单级萃取原料液FS’(至混合液)溶剂S萃取相萃余相萃取液E’萃余液R’EyARxA混合槽沉降分离脱除溶剂多级萃取(a)多级错流萃取(b)多级逆流萃取F,xF1S1R1,x1E1,y12S2R2,x2E2,y23S3R3,x3E3,y3nSnRn,xnEn,ynNNR’E’SnR’NF,xFE1,y1E’NSE1R1,x1E2,y22R2,x2E3,y3iRn-1,xn-1Ri-1,xi-1Ei,yinRn,xnS,ysEn,yn1液-液萃取相平衡关系与三角形相图萃取平衡：一定体系及操作条件下，溶质在两相间所具有的平衡分配关系。溶质A；原溶剂B；萃取剂S。萃取的三组分体系MHSBA三组分混合物的组成三组分相图三点：单一组分，纯物质A、B、S三线：线(AB、BS、SA)上任一点表示二组分混合物的组成H点：xA=0.3，xB=0.7一面：面上任一点表示三组分混合物ABS的组成M点：xA=0.3，xS=0.2，xB=1-xA-xS=0.52萃取系统的杠杆规则(leverrule)ERSFMEARASAFAMAExRxSxFxMxESRSSSMSExRxSxMx总物料衡算：A的物料衡算：S的物料衡算：xEAxMAxRAxESxMSxRSRMEFSBA杠杆规则SSSSMSxSFSxMSxEARAEARAMAExxEMExRxMx)()()(RAEARAMAxxExxMEREMRMERMRxxxxSFEMERAEARAMAEREMxxxxSFRMRRAEAMAEAEMMRxxxxSFEREMAEARAMA3液液平衡在三角形相图上的表示法混合液的类型3.1溶解度曲线与联结线111111MERMRE杠杆规则(leverrule)：(1)溶质A可完全溶于B及S，但B与S不互溶；(很少见)(2)溶质A可完全溶于B及S，但B与S部分互溶；(常见)(3)溶质A可完全溶于B，但A与S及B与S为部分互溶。(应避免)临界混溶点：P溶解度曲线：混溶点：2区：两相区，互溶区共轭相，共轭点AE0MR0BS联结线溶解度曲线EnEiE2E1KPRnRiR2R13.2临界混溶点的确定：辅助线图解法ABSEE2E1PRR2R1HGF3.3分配系数与分配曲线(1)分配系数与选择性系数AAAx/yK一定温度下，萃取体系平衡时，组分A在萃取相的质量分数yA和在萃余相中的质量分数xA之比yA——组分A在萃取相中的质量分数xA——组分Ａ在萃余相中的质量分数式中，分配比(distributionratio)KA，又称分配系数KA表示S对A的萃取能力，KA值越大，萃取能力越强不同的物系具有不同的KA同一物系KA值随温度和组成而变。ABBABAxyxyKK选择性系数(separationfactor)β，又称分离系数一定条件下同一萃取体系内两组分分配系数的比值β表示两种组分在两液相中的平衡关系。β越大，组分A和B间的分离效果越好。若β1，AB两组分可用萃取法分离。β越大，A在萃取相中的组成较高。若β=1，表明该萃取剂不能把组分A和B分离开。yA，yB——组分A、B在萃取相中的质量分数；xA，xB——组分Ａ、B在萃余相中的质量分数。式中，(2)分配曲线BASR1R2PEE2E1Goyx211'溶解度曲线与分配曲线关系图平衡时组分A在直角坐标系中的关系图。制作方法：1)在三组分相图一侧作直角坐标系yox，ox在BS的延长线上；2)作y=x线；3)过Ei作水平线；4)过Ri作水平线，与y=x交与i’点，在作垂线，与过Ei的水平线交与i点；5)连接各i点，得分配曲线。概念：3.4萃取过程在三角形相图上的表示SEmaxRMER'FE'E'maxBAMSFMFSEMMRREFEFRRE4液液萃取过程的流程和计算4.1单级平衡萃取(1)B-S部分互溶的体系萃取相萃余相萃取液E'萃余液R'溶剂S原料液FEyARxAS'(至混合槽)混合槽沉降分层脱除溶剂MSMFFSERSFMERSFMEyRxSyFxMxMERMRE依总物料衡算：对溶质A的物料衡算：根据杠杆规则知：SMMFyxxxFS)(RERMxyxxME)(REMExyxyMR)(RERFxyxxME)(REFExyxyMR)((2)B-S不互溶的体系AAAx/yKKXY)()(SERFyySxxB当组分B与S可视为完全不互溶，且以质量比表示相组成的分配系数为常数时Y——萃取相中溶质A的质量比组成，kgA/kgS；X——萃余相中溶质Ａ的质量比组成，kgA/kgB；Ｋ——以质量比表示相组成的分配系数；B——原料液中原溶剂的量，kg或kg/h；S——纯萃取剂的用量，kg或kg/h；XF——溶质A在原料液中的质量比，kgA/kgB；XR——溶质A在萃余相中的质量比，kgA/kgB；YE——溶质A在萃取相中的质量比，kgA/kgS；YS——溶质A在萃取剂中的质量比，kgA/kgS。式中，4.2多级错流萃取过程(1)B-S部分互溶时的多级错流萃取M3M2E1E2R1R2R3M1E3FSBAF,xF1S1R1,x1E1,y12S2R2,x2E2,y23S3R3,x3E3,y3nSnRn,xnEn,ynNNR’E’(2)B-S完全不互溶时的多级错流萃取X3X2X1Y3Y2Y1E1S1S2E2S3E3XF分配曲线YXYS11SYBXSYBXSF)(11SFYXSBXSBY)(122SYXSBXSBY)(1SnnnYXSBXSBYB——原料液中组分B的质量，kg；S——萃取剂中组分C的质量，kg；XF，YS——原料液和萃取剂中溶质A的质量比；Xn，Yn——第n级萃余相和萃取相中溶质A的质量比，n=1,2,3…。式中，第n级的操作线方程：同理，得第2级萃取的操作线方程：4.3多级逆流萃取过程4.3.1B-S部分互溶时的多级逆流萃取(1)在三角形坐标图上求理论级数SnR’NF,xFE1,y1E’NSE1R1,x1E2,y22R2,x2E3,y3iRn-1,xn-1Ri-1,xi-1Ei,yinRn,xnS,ysEn,ynAMRnBS联结线溶解度曲线E4E3E2E1FR1R2R3∆R4辅助线R1(2)在x-y直角坐标图上求理论级数步骤①根据已知的相平衡数据在直角坐标图上绘出分配曲线。②根据操作条件下的相平衡数据在三角形坐标图上绘出溶解度曲线和辅助曲线，确定点F、Rn、S与E1的位置。根据E1与Ｆ和S与Rn求出点。③在FE1及RnS之间作若干条操作线。每条操作线均与溶解度曲线交于两点Rm-1和Em，其组成为xm-1和ym，将该两点的坐标转移到直角坐标图上便可以找到一个操作点。连接若干个操作点即得直角坐标图上多级逆流萃取的操作线。④在分配曲线与操作线之间，从点N（xF，y1）开始画阶梯，直至某一级阶梯所指萃余相组成xn等于或小于要求的最终萃余相组成xR为止，阶梯级数即为萃取所需的理论级数。xy操作线分配曲线xFx1xm-1xnPNTQy1ynymEEmRm-1RnFymy1SBAO4.3.2B-S完全不互溶时的多级逆流萃取11SYBXSYBXiiF)(11FiiXSBYXSBY在第1级和第i级之间作溶质A的物料衡算得Yi+1——进入第i级萃取相中溶质A的质量比，kgA/kgS；Xi——离开第i级萃余相中溶质A的质量比，kgA/kgB；Y1——最终萃取相中溶质A的质量比，kgA/kgS；S——纯萃取剂的量，kg；B——原料液中原溶剂的量，kg；XF——原料液中溶质A的质量比，kgA/kgB。式中，步骤：(1)首先在X-Y坐标图上，根据相平衡数据绘出平衡线。(2)根据物料衡算找出逆流萃取的操作线方程。(3)从操作线的一端点S开始，在操作线与平衡线间画阶梯至另一端点，阶梯数即为所需理论级数。操作线ESX3X2X1YSY3Y2Y1XFYX分配曲线4.4微分逆流萃取流程和计算eTHNH(1)理论级当量高度法把连续逆流萃取作为多级逆流萃取处理(1)先计算萃取所需的理论级数NT;(2)然后乘以理论级当量即得塔高H：He是反映萃取塔传质特性的一个参数。传质速率越高，塔的效率越高，则相应的He值越小。和塔板效率一样，He与物系的性质、设备的结构型式和操作条件有关。一般需要通过实验确定或根据实际生产装置的操作数据求得。理论级数NT反映萃取分离的难易或萃取过程要求达到的分离程度。理论级当量高度：相当于一个理论级萃取效果的塔段高度He。方法：HAaNXSXBvAddd(2)传质单元法原溶剂B和萃取剂S完全不互溶；萃余相的溶剂流量B和萃取相的溶剂流量S均为常量；两相浓度分别用摩尔比X和Y表示。NA——溶质A的萃取传质通量，mol/（ｍ2·s）；av——单位体积有效传质界面面积，ｍ2/ｍ3；A——塔的横截面积，m2。式中，假设：对微分塔段dH，有：仅依萃余相浓度变化加以讨论。由稳态相间传质方程：*)(XXKNRA*XXdXAaKBdHvR21*0XXvRHXXdXAaKBdHHAaKBHvROR21*XXORXXdXNORORNHHKR——以萃余相浓度为基准的总传质系数，mol/(ｍ2·s)；X*——与萃取相浓度Y平衡的萃余相浓度；H——萃取塔的有效塔高，m。式中，5萃取分离设备澄清槽工作原理结构:特点:应用萃取剂S原料液F萃取相E萃余相R混合槽，澄清槽，结构简单，操作方便，可靠、高效单级萃取原料液FS’(至混合液)溶剂S萃取相萃余相萃取液E’萃余液R’EyARxA结构特点应用喷淋式萃取塔填料萃取塔萃取塔重相重相轻相轻相界面再分布器轻相重相重相轻相重相重相轻相轻相界面筛板降液管液滴凝聚筛板萃取塔脉冲筛板塔重相轻相轻相重相脉冲发生器筛板往复筛萃取塔转盘萃取塔轻相轻相重相重相栅条中心轴转盘固定环栅条